DE4404046A1

DE4404046A1 - Method for calibrating a network analyser having two measuring ports

Info

Publication number: DE4404046A1
Application number: DE4404046A
Authority: DE
Inventors: Holger Dipl Ing Heuermann; Burkhard Prof Dr Ing Schiek
Original assignee: Rohde and Schwarz GmbH and Co KG
Current assignee: Rohde and Schwarz GmbH and Co KG
Priority date: 1993-03-23
Filing date: 1994-02-09
Publication date: 1994-09-29
Anticipated expiration: 2014-02-10
Also published as: DE4404046C2

Abstract

In order to calibrate a network analyser having two measuring ports, measurements are sequentially carried out of, in each case, four measurement parameters on two or three different calibration standards connected in arbitrary sequence between the two measuring ports, at least two of these calibration standards consisting only of a single concentrated component whose impedance is known or unknown.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren laut Oberbegriff des Hauptanspruches.The invention relates to a method according to the preamble of the main claim.

Ein Verfahren dieser Art ist bekannt (DE-OS 39 12 759). Bei diesem bekannten Verfahren wird eine erste Kalibrier messung an einem Zweitor durchgeführt, von dem sämtliche komplexen Streuparameter bekannt sind, vorzugsweise erfolgt diese erste Kalibriermessung an den direkt mit einander verbundenen Meßtoren (Thru-Messung). Für die zweite Kalibriermessung wird ein Dämpfungsglied benutzt, das aus konzentrierten Bauelementen beispielsweise in T- oder π-Schaltung aufgebaut ist, die dritte Kalibrier messung kann beispielsweise an einer Längsimpedanz oder einer Querimpedanz durchgeführt werden. Die für dieses bekannte Kalibrierverfahren erforderlichen Kalibrier standards sind zwar einfacher und billiger aufbaubar als das bekannte sogenannte TRL-Kalibrierverfahren, bei dem hierzu noch elektrische Leitungen nötig sind (TRL-Kalibrierverfahren der Firme Hewlett Packard Product Note 8510-8, Oktober 1987), für die technische Reali sierung des Dämpfungsgliedes sind jedoch immer noch mehrere konzentrierte Bauelemente nötig.A method of this type is known (DE-OS 39 12 759). In this known method, a first calibration measurement carried out on a two-port, all of which complex scattering parameters are known, preferably this first calibration measurement is carried out directly with the interconnected measuring gates (thru measurement). For the second calibration measurement an attenuator is used, that from concentrated components, for example in T or π circuit is built, the third calibration For example, measurement can be made on a longitudinal impedance or a cross impedance. The one for this known calibration procedures required calibration standards are easier and cheaper to set up than the well-known so-called TRL calibration method, at which still requires electrical cables (TRL calibration method from Hewlett Packard Product Note 8510-8, October 1987), for the technical reali sation of the attenuator are still several concentrated components required.

Es ist daher Aufgabe der Erfindung, ein Kalibrierverfahren für Netzwerk-Analysatoren aufzuzeigen, dessen Kalibrier standards noch einfacher und billiger aufgebaut werden können.It is therefore an object of the invention to provide a calibration method for network analyzers to show whose calibration standards can be built even easier and cheaper can.

Diese Aufgabe wird durch die alternativen Kalibrierver fahren nach den Patentansprüchen gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen insbesondere bezüglich der Realisierung der für die Kalibrierung erforderlichen Zweitore und vor allem auch bezüglich der speziellen Verwendung eines solchen Netzwerk-Analysators nur zum Messen der Impedanz eines in Serie oder parallelgeschalteten konzentrierten Bauelements ergeben sich aus den Unteransprüchen.The alternative calibration ver drive solved according to the claims. Beneficial Further training, especially with regard to implementation the two gates required for calibration and especially with regard to the special use of a such network analyzer only for measuring impedance one concentrated in series or in parallel Component result from the subclaims.

Bei dem erfindungsgemäßen Kalibrierverfahren werden einfache nur aus einem einzigen Bauelement aufgebaute Kalibrierstandards verwendet, von denen außerdem nur eines bekannt sein muß, während der zweite Kalibrier standard aus einem konzentrierten Bauelement bestehen kann, dessen Impedanz unbekannt ist. Dieses letztere unbekannte Impedanzelement kann sogar durch das Meßobjekt selbst gebildet sein. Das erfindungsgemäße Verfahren eignet sich insbesondere für niedrigere Frequenzen bis ca. 1 GHz bzw. 10 GHz für sogenannte On-Wafer-Messungen, da die verwendeten Kalibrierstandards aufgebaut aus konzentrierten Bauelementen vor allem für diesen Fre quenzbereich besonders geeignet sind. Die mechanischen Gesamtabmessungen der verwendeten konzentrierten Bau elemente bezogen auf die Betriebswellenlänge, bei der die Kalibriermessung durchgeführt wird, bestimmen die Meßgenauigkeit. Wird beispielsweise eine Meßgenauigkeit von 1% gefordert, so darf die größte geometrische Abmessung des verwendeten konzentrierten Bauelements, beispielsweise eines Widerstandes, nicht größer als 1% der Betriebswellenlänge sein. Diese Forderung nach möglichst kleinen geometrischen Abmessungen werden am besten dadurch erfüllt, daß die Kalibrierstandards in Mikrostreifenleitungstechnik unter Anwendung der soge nannten SMD-Technik (surface mounted devices) oder auf Halbleitersubstranten (On-Wafer), hergestellt werden, wie dies beispielsweise beschrieben ist in Hewlett Packard, On-Wafer measurements using the HP 8510 Network Analyzer and Cascade Microtech Wafer Probes, Product Note 8510-6, May 1986.In the calibration method according to the invention simple built from a single component Calibration standards are used, of which only one must be known during the second calibration standard consist of a concentrated component can, whose impedance is unknown. The latter unknown impedance element can even pass through the device under test be educated yourself. The method according to the invention is particularly suitable for lower frequencies up to approx. 1 GHz or 10 GHz for so-called on-wafer measurements, because the calibration standards used are built up from concentrated components especially for this Fre quenz range are particularly suitable. The mechanical Overall dimensions of the concentrated construction used elements related to the operating wavelength at which the calibration measurement is carried out determine the Measuring accuracy. For example, a measurement accuracy required of 1%, the largest geometric Dimension of the concentrated component used, for example a resistance not greater than 1% the operating wavelength. This call for The smallest possible geometric dimensions are best fulfilled by the fact that the calibration standards in Microstripline technology using the so-called called SMD technology (surface mounted devices) or on Semiconductor substrates (on-wafers) are produced, as described, for example, in Hewlett Packard, On-Wafer measurements using the HP 8510 Network Analyzer and Cascade Microtech Wafer Probes, Product Note 8510-6, May 1986.

Das erfindungsgemäße Verfahren eignet sich sowohl zum Kalibrieren von sogenannten Doppelreflektometern, bei denen an den beiden Meßtoren jeweils der Strom und die Spannung gemessen wird, also vier komplexe Meßwerte an einem zwischen die beiden Meßtore geschalteten Zweitor, als auch für sogenannte Netzwerk-Analysatoren, bei denen mittels Richtkoppler die vor- und rücklaufenden Wellen gemessen werden, nämlich einmal eine Reflexionsmessung am Eingang und Ausgang des Meßobjektes und je eine Transmissionsmessung in Vorwärts- und Rückwärtsrichtung. Aus diesen jeweils vier Meßwerten kann dann in bekannter Weise die Streumatrix eines Zweitores bestimmt werden. Durch diese vier Meßwerte je Kalibrierstandard kann damit gemäß der Erfindung in kürzester Zeit eine Systemfehler korrektur solcher Meßeinrichtungen durchgeführt werden, wobei sich das erfindungsgemäße Verfahren z. B. zur direkten Berechnung der korrigierten Meßwerte aus den Meßwerten der Kalibriermessungen und der Messungen am Meßobjekt eignet (z. B. nach Zweitor-Möbius-Transformation, beschrieben in Heuermann, Schiek, Procedures for the Determination of the Scattering Parameters for Network Analyzer Calibration, IEEE IM, Apr. 1993). The inventive method is suitable for Calibration of so-called double reflectometers, at those at the two measuring gates the current and the Voltage is measured, i.e. four complex measured values a two-port connected between the two measuring gates, as well as for so-called network analyzers, where the forward and returning waves using directional couplers be measured, namely once a reflection measurement at the entrance and exit of the test object and one each Transmission measurement in forward and backward direction. These four measured values can then be used in a known manner Way the scatter matrix of a two-gate can be determined. With these four measured values per calibration standard, it can a system error according to the invention in the shortest possible time such measuring devices are corrected, wherein the inventive method z. B. for direct calculation of the corrected measured values from the Measured values of the calibration measurements and the measurements on Object to be measured (e.g. after two-port Möbius transformation, described in Heuermann, Schiek, Procedures for the Determination of the Scattering Parameters for Network Analyzer Calibration, IEEE IM, Apr. 1993).

Es können aber auch zunächst aus den Meßwerten der Kalibriermessungen die Fehlergrößen der Fehlernetzwerke ermittelt werden, die abgespeichert werden und an schließend bei den Meßwerten des Meßobjektes als Korrek turwerte berücksichtigt werden. Da das erfindungsgemäße Verfahren direkt zur Berechnung der korrigierten Meßwerte nach dem zuerst erwähnten Verfahren geeignet ist, sind besonders schnelle korrigierte Messungen möglich.But it can also first of all from the measured values of the Calibration measurements the error sizes of the error networks are determined, which are saved and on closing for the measured values of the measurement object as a correction values are taken into account. Since the invention Process directly for calculating the corrected measured values is suitable according to the first-mentioned method particularly fast corrected measurements possible.

Da beim erfindungsgemäßen Verfahren - sowohl bei der Anwendung bei einem Doppelreflektometer als auch bei einem üblichen Netzwerk-Analysator - jeweils eine Trans missionsmessung an den als konzentrierte Bauelemente ausgebildeten Kalibrierstandards durchgeführt wird, ist mit solchen Meßgeräten eine wesentlich höhere Meßdynamik erreichbar und es können beispielsweise auch sehr große Impedanzen im MΩ-Bereich als Serienimpedanzen genau vermessen werden. Für solche Zwecke eignet sich besonders gut das ZU-Kalibrierverfahren, da hier das Z sehr groß gewählt werden kann, also auch die Kalibrierung bereits in einem Impedanzbereich durchgeführt wird, in dem anschließend gemessen wird.Since in the inventive method - both in the Use with a double reflectometer as well a common network analyzer - one trans each Mission measurement on the as concentrated components trained calibration standards is carried out with such measuring devices a much higher dynamic range reachable and it can be very large, for example Impedances in the MΩ range exactly as series impedances be measured. Is particularly suitable for such purposes the ZU calibration method is good, since the Z is very large here can be selected, including the calibration is performed in an impedance range in which is then measured.

Das erfindungsgemäße Verfahren ist vor allem auch besonders gut geeignet für sogenannte On-Wafer-Messungen, bei denen die Meßobjekte auf Halbleitersubstraten ange ordnet sind und bei denen die beiden Meßtore des Meß gerätes in Meßspitzen enden, die unmittelbar auf den Leiterbahnen des Halbleitersubstrates nicht zu eng nebeneinander aufgesetzt werden und daher noch nicht miteinander verkoppelt sind. Wenn nach diesem On-Wa fer-Meßverfahren beispielsweise elektrische Bauelemente wie Widerstände, Kondensatoren, Spulen, Dioden oder dergleichen passive Elemente in ihrer Impedanz gemessen werden sollen, so eignet sich hierfür vor allem das einfache ZU- bzw. YU-Kalibrierverfahren, da hierdurch die Anzahl der nötigen Kalibriermessungen auf ein Minimum beschränkt wird, was vor allem für On-Wafer-Messungen besonders wichtig ist, da die Kontaktierung der Bau elemente auf Halbleitersubstraten sehr große Schwierig keiten bereitet. Hierbei muß nur der erste Kalibrier standard (Z oder Y) bekannt sein, während die zweite Kalibriermessung dann unmittelbar an dem Meßobjekt durchgeführt werden kann, da das das unbekannte Impedan zelement ist. Damit sind für eine kalibrierte On-Wa fer-Messung lediglich zwei aufeinanderfolgende Messungen nötig.Above all, the method according to the invention is also particularly well suited for so-called on-wafer measurements, in which the test objects are on semiconductor substrates are arranged and in which the two measuring gates of the measuring device ends in measuring tips that directly on the Conductor tracks of the semiconductor substrate are not too narrow placed next to each other and therefore not yet are coupled together. If after this on-wa fer measuring method, for example electrical components such as resistors, capacitors, coils, diodes or the same passive elements measured in their impedance that is particularly suitable for this simple ZU or YU calibration procedures because of this the number of necessary calibration measurements to a minimum is limited, which is especially true for on-wafer measurements is particularly important since contacting the construction elements on semiconductor substrates very difficult preparing. Only the first calibration has to be done standard (Z or Y) while the second Calibration measurement then directly on the measurement object can be done since that is the unknown Impedan is z element. This means that for a calibrated on-wa fer measurement only two consecutive measurements necessary.

Die Erfindung wird im folgenden anhand schematischer Zeichnungen an Ausführungsbeispielen näher erläutert.The invention will now be described more schematically Drawings explained in more detail using exemplary embodiments.

Fig. 1 zeigt das stark vereinfachte Prinzipschaltbild eines Netzwerk-Analysators, bei dem über einen Umschal ter 2 zwei Meßzweige 3 und 4 aus einem Hochfrequenz generator 1 gespeist sind. An den beiden Meßpunkten 5 und 6 dieser Meßzweige 3 und 4 sind jeweils Meßeinrich tungen 7 und 8 zum Messen der den Meßtoren 20 und 21 angebotenen Spannungen U1 bzw. U2 sowie Meßeinrichtungen 9 und 10 zum Messen der an den Meßpunkten 5 und 6 fließenden Strömen I1 und I2 vorgesehen. Über die vier Meßgrößen U1, I1 und U2, I2 ist über die Kettenmatrix ein an die Meßtore 20 und 21 angeschaltetes Meßobjekt 11 für jede beliebige Frequenz vollständig beschrieben. Nach dem sogenannten Zweitor-Fehlermodell werden hierbei die zwischen den Meßpunkten 5 und 6 und dem an den eigentlichen Meßtoren 20 und 21 angeschalteten Meßobjekt 11 auftretenden Störgrößen, die beispielsweise durch die zum Meßobjekt führenden Verbindungsleitungen und gegenseitige Verkopplungen verursacht werden, durch die Fehlernetzwerke 12 und 13 berücksichtigt, die durch ein Kalibrierverfahren ermittelt und bei der eigentlichen Messung als Korrekturwerte berücksichtigt werden. Fig. 1 shows the highly simplified schematic diagram of a network analyzer, in which two measuring branches 3 and 4 are fed from a high-frequency generator 1 via a switch 2 ter. At the two measuring points 5 and 6 of these measuring branches 3 and 4 are respectively measuring devices 7 and 8 for measuring the voltages U1 and U2 offered to the measuring gates 20 and 21 as well as measuring devices 9 and 10 for measuring the currents I1 flowing at the measuring points 5 and 6 and I2 are provided. Via the four measured variables U1, I1 and U2, I2, a test object 11 connected to the measuring gates 20 and 21 for any frequency is completely described via the chain matrix. According to the so-called two-port error model, the disturbance variables occurring between the measuring points 5 and 6 and the measuring object 11 connected to the actual measuring gates 20 and 21 , which are caused, for example, by the connecting lines leading to the measuring object and mutual coupling, are caused by the error networks 12 and 13 taken into account, which are determined by a calibration method and are taken into account as correction values in the actual measurement.

Bei der Kalibriermessung wird das Zweitor-Meßobjekt 11 durch einen Kalibrierstandard ersetzt und es werden dann wiederum pro Standard vier Meßwerte ermittelt.During the calibration measurement, the two-port test object 11 is replaced by a calibration standard and four measured values are then determined for each standard.

Eine erste Möglichkeit für die Systemfehlerkorrektur eines beliebigen Zweitores zeigt Fig. 2 unter Verwendung von drei unterschiedlichen Kalibrierstandards. Bei der sogenannten TZU-Kalibriermessung wird eine erste Kali briermessung an einem Zweitor Z durchgeführt, das nur aus einem einzigen konzentrierten Bauelement in Serien schaltung besteht und dessen Impedanz bekannt ist. Als Bauelement eignet sich hierfür beispielsweise ein Wider stand, ein Kondensator, eine Induktivität oder Diode, also jedes aktive oder passive Bauelement mit zwei Klemmen, dessen Impedanz bekannt ist. Dieser Kalibrier standard Z wird zwischen die Meßtore 20 und 21 geschaltet und es werden dann wieder vier Meßwerte ermittelt. Als zweiter Kalibrierstandard wird dann ein Zweitor U_y zwischen die Meßtore geschaltet, das wiederum nur aus einem einzigen konzentrierten Bauelement besteht, in diesem Fall jedoch als Parallelschaltung, dessen Impedanz jedoch unbekannt sein kann. Auch hier werden wieder vier Meßwerte ermittelt. Schließlich wird noch eine Messung mit unmittelbarer Verbindung der beiden Meßtore 20 und 21 durchgeführt (sogenannte Thru-Messung). Mit diesen insgesamt zwölf Meßwerten ist eine vollständige System fehlerkorrektur für ein beliebiges Zweitor als Meßobjekt möglich. Nachdem die Reihenfolge der aufeinanderfolgenden Kalibriermessungen beliebig sein kann, wird trotz der im Beispiel nach Fig. 2 gewählten Reihenfolge (mit T-Messung am Ende) in Anlehnung an die bekannte TRM-Kali briermessung (nach DE-OS 39 12 795) bzw. der bekannten TRL-Kalibriermessung (nach Hewlett Packard) für diese Kalibriermessung die Abkürzung TZU gewählt.A first possibility for the system error correction of any two-port is shown in FIG. 2 using three different calibration standards. In the so-called TZU calibration measurement, a first calibration measurement is carried out on a two-port Z, which consists of only a single concentrated component in series connection and whose impedance is known. A suitable component for this purpose is, for example, an opponent, a capacitor, an inductor or diode, that is to say any active or passive component with two terminals, the impedance of which is known. This calibration standard Z is connected between the measuring gates 20 and 21 and four measured values are then determined again. As a second calibration standard, a two-port U _y is then connected between the measuring gates, which in turn consists of only a single concentrated component, but in this case as a parallel connection, the impedance of which may, however, be unknown. Four measured values are again determined here. Finally, a measurement is carried out with a direct connection between the two measuring gates 20 and 21 (so-called thru measurement). With these twelve measured values in total, a complete system error correction is possible for any two-port as a test object. After the sequence of the successive calibration measurements can be arbitrary, despite the sequence chosen in the example of FIG. 2 (with T measurement at the end) based on the known TRM calibration calibration measurement (according to DE-OS 39 12 795) or known TRL calibration measurement (according to Hewlett Packard), the abbreviation TZU is selected for this calibration measurement.

Fig. 3 zeigt wiederum mit drei Kalibrierstandards Y, U_Z und T eine TYU-Kalibrierung, bei der als erster Kalibrierstandard ein parallel geschaltetes konzentriertes Bauelement von bekannter Impedanz benutzt wird und eine unbekannte Serien-Impedanz U_Z. Fig. 3 shows in turn with three calibration Y, U _Z and T is a TYU-calibration, in which the first calibration standard a parallel-connected a concentrated component of known impedance is used and an unknown series impedance _Z U.

Fig. 4 und 5 zeigen eine weitere Möglichkeit, mit nur drei einfachen Kalibrierstandards die Fehlerkorrekturwerte für ein Zweitor-Meßobjekt zu ermitteln, nach Fig. 4 wird als erster Kalibrierstandard wieder eine bekannte Impe danz Z in Serienschaltung benutzt, als zweiter Kalibrier standard eine Parallelimpedanz U_Y1, deren Impedanzwert unbekannt sein kann und als dritter Kalibrierstandard eine weitere Parallelimpedanz U_Y2 deren Impedanzwert wiederum unbekannt ist, der sich jedoch von dem unbe kannten Impedanzwert des zweiten Standards U_Y1 unter scheidet. Es genügt also beispielsweise, für die beiden Standards U_Y1 und U_Y2 beliebige Parallelwiderstände zu benutzen, die unterschiedliche Widerstandswerte aufweisen, ohne genau zu wissen, wie groß tatsächlich dieser Wider standswert jeweils ist. Fig. 4 and 5 show another way, with just three simple calibration error correction values for a two-port device under test to determine according to FIG. 4 will be the first calibration again a known Impe impedance Z in series used as the second calibration standard parallel impedance U _Y1 , whose impedance value can be unknown and, as a third calibration standard, a further parallel impedance U _Y2 whose impedance value is in turn unknown, but which differs from the unknown impedance value of the second standard U _Y1 . It is therefore sufficient, for example, to use any parallel resistors for the two standards U _Y1 and U _Y2 which have different resistance values without knowing exactly how large this resistance value is in each case.

Anstelle eines Parallelwiderstandes U_Y2 als dritter Standard könnte gegebenenfalls auch eine unbekannte Serienimpedanz U_Z2 benutzt werden, die nur von Z des ersten Standards verschieden sein muß, ansonsten unbekannt sein kann.Instead of a parallel resistor U _Y2 as the third standard, an unknown series impedance U _Z2 could possibly also be used, which only has to be different from Z of the first standard, otherwise it may be unknown.

Fig. 5 zeigt das gleiche unter Verwendung einer bekannten Parallelimpedanz Y, einer unbekannten Serienimpedanz U_Z1 und einer zweiten von U_Z1 verschiedenen Serienimpe danz U_Z2f wobei anstelle von U_Z2 wiederum ein U_Y2 ver wendet werden könnte. Aus den Fig. 2 bis 5 ist ersicht lich, daß für jede Kalibrierung mindestens eine Serien impedanz und eine Parallelimpedanz vorhanden sein muß, ansonsten beliebige Kombinationen möglich sind. FIG. 5 shows the same using a known parallel impedance Y, an unknown series impedance U _Z1 and a second series impedance U _Z2 f different from U _Z1, whereby a U _Y2 could again be used instead of U _Z2 . From FIGS . 2 to 5 it is evident that at least one series impedance and one parallel impedance must be present for each calibration, otherwise any combinations are possible.

Die Kalibriermessungen nach den Fig. 2 bis 5 sind nicht nur für ein Doppelreflektometer nach Fig. 1 geeignet, sondern genausogut für einen Netzwerk-Analysator, wie er beispielsweise in der DE-OS 39 12 795 beschrieben ist und bei dem für jede Frequenz anstelle von Spannung und Strom die vorlaufende und rücklaufende Welle gemessen wird, auch für diese an einem Zweitor durchgeführten jeweils vier Messungen ist das erfindungsgemäße Kali brierverfahren geeignet.The calibration measurements according to FIGS . 2 to 5 are not only suitable for a double reflectometer according to FIG. 1, but also just as well for a network analyzer as is described, for example, in DE-OS 39 12 795 and in which instead of for each frequency The voltage and current of the leading and returning wave is measured, the calibrating method according to the invention is also suitable for these four measurements carried out on a two-port.

Mit einem Doppelreflektometer nach Fig. 1 bzw. einem die Transmissions- und Reflexionsparameter eines Meß objektes messenden Netzwerk-Analysator sind oftmals nur reine Impedanzmessungen an einem konzentrierten Bauelement nötig, das die Parallelimpedanz oder Serienimpedanz eines Zweitors bildet. In diesem Fall ist eine besonders ein fache Kalibrierung gemäß Fig. 6 oder 7 möglich, es sind nur zwei aufeinanderfolgende Kalibriermessungen entweder mit einem in Serie geschalteten Impedanzelement Z oder einem parallelgeschalteten Impedanzelement Y erforderlich, dessen Impedanzwert bekannt ist, eine zweite Kalibrier messung kann dann mit einem unbekannten Impedanzelement U_Y bzw. U_Z durchgeführt werden, dessen Impedanzwert unbekannt ist. Für diese zweite Kalibriermessung U_Y bzw. U_Z kann gegebenenfalls unmittelbar das eigentliche Meßobjekt mit einem parallel oder einem in Serie geschalteten Impedanzelement benutzt werden. Diese ZU- bzw. YU-Kalibriermessung nach den Fig. 5 und 7 ist besonders geeignet für sogenannte On-Wafer-Messungen, da hierbei nur zwei aufeinanderfolgende Kalibriermessungen nötig sind und daher der Wechsel der Meßanschlüsse auf ein Minimum beschränkt wird.With a Doppelreflektometer of FIG. 1 or one of the transmission and reflection parameters of a measurement object measured network analyzer only pure impedance measurements on a concentrated component are often necessary, forming the parallel impedance or series impedance of a two-port network. In this case, a particularly simple calibration according to Fig. 6 or 7 is possible, there are only two successive calibration measurements either with a series-connected impedance element Z or a parallel-connected impedance element Y, whose impedance value is known, a second calibration measurement can then be made with an unknown impedance element U _Y or U _Z , the impedance value of which is unknown. For this second calibration measurement U _Y or U _Z , the actual test object with an impedance element connected in parallel or in series can optionally be used directly. This ZU or YU calibration measurement according to FIGS . 5 and 7 is particularly suitable for so-called on-wafer measurements, since only two successive calibration measurements are necessary and the change of the measurement connections is therefore limited to a minimum.

Nachdem das einzige konzentrierte Bauelement, aus dem jeder Kalibrierstandard besteht, möglichst kleine Abmessungen besitzen soll, bietet sich für deren Her stellung die Mikrostreifenleitungs-Technik als Grundlage an, das konzentrierte Bauelement wird nach der SMD-Technik auf dem Substrat der Mikrostreifenleitung aufgesetzt. Fig. 8 zeigt im Querschnitt und in Draufsicht die Aus bildung eines Kalibrier-Zweitores mit einem Serienwider stand 14, der unmittelbar auf den in geringem Abstand sich gegenüberstehenden Enden der Streifenleitungen 15, 16 aufgesetzt ist. Die Streifenleitungen 15, 16 sind auf einem Substrat 17 in bekannter Technik aufgebracht, die Rückseite des Substrates besitzt eine durchgehende Metallkaschierung 18. Das Streifenleitungssystem 15, 18 bzw. 16, 18 steht unmittelbar mit den beispielsweise als Koaxialbuchsen ausgebildeten beiden Meßtoren 20, 21 des Meßgerätes nach Fig. 1 in Verbindung, nach Durch führung der Kalibriermessungen wird beispielsweise der Widerstand 14 durch ein zu vermessendes Bauelement ersetzt. Since the only concentrated component from which each calibration standard is made should have the smallest possible dimensions, the microstrip line technology lends itself to its manufacture, the concentrated component is placed on the substrate of the microstrip line using SMD technology. Fig. 8 shows in cross section and in plan view the formation of a two-port calibration with a series resistor 14 , which is placed directly on the opposite ends of the strip lines 15 , 16 . The strip lines 15 , 16 are applied to a substrate 17 using known technology, and the rear of the substrate has a continuous metal cladding 18 . The stripline system 15 , 18 or 16 , 18 is directly connected to the two measuring gates 20 , 21 of the measuring device according to FIG. 1, for example in the form of coaxial sockets. After carrying out the calibration measurements, for example the resistor 14 is replaced by a component to be measured.

Fig. 9 zeigt die Realisierung eines Kalibrier-Zweitores in Mikrostreifen-Technik mit einem Parallelwiderstand 19, der in einer Bohrung des Substrates 17 eingesetzt ist und an seinem einen Ende mit den sich gegenüberstehenden Enden der Streifenleitung 15, 16 und mit seinem anderen Ende mit der Massekaschierung 18 verbunden ist. Fig. 9 shows the implementation of a two-port calibration in microstrip technology with a parallel resistor 19 , which is inserted in a bore of the substrate 17 and at one end with the opposite ends of the strip line 15 , 16 and at its other end with the Mass lamination 18 is connected.

Die Wirkungsweise des erfindungsgemäßen Verfahrens für die ZU-, YU, TZU-, TYU-, ZU1U2- und YU1U2-Kalibrierung nach der Erfindung kann mathematisch wie folgt beschrieben werden:
Die Ströme I1, U1, I2, U2 gemäß Fig. 1 hinter den Fehlerzweitoren 12, 13, also an der perfekten Meßstelle 5, 6, können gemäß Fig. 10 auch als allgemeine Meßwerte m1 bis m4 behandelt werden. The mode of operation of the method according to the invention for the ZU, YU, TZU, TYU, ZU1U2 and YU1U2 calibration according to the invention can be described mathematically as follows:
The currents I1, U1, I2, U2 according to FIG. 1 behind the error secondors 12 , 13 , ie at the perfect measuring point 5 , 6 , can also be treated according to FIG. 10 as general measured values m1 to m4.

Es ist vorteilhaft, die mathematische Formulierung des Zwei-Fehler-Zweitormodells in Ketten- bzw. Transmissionsparametern anzussetzen:It is advantageous to use the mathematical formulation of the two-error two-door model in Apply chain or transmission parameters:

Für jede Schalterstellung des im Bild 4 dargestellten Impedanzmeßgerätes erhält man eine sinnvolle Gleichung, die vereint folgende Matrizengleichung ergeben.For each switch position of the impedance measuring device shown in Figure 4 you get a meaningful equation, which together result in the following matrix equation.

Durch die Multiplikation mit der Inversen der rechten Meßwertmatrix ergibt sichMultiplying by the inverse of the right measurement matrix results in

[M] = [A] [N] [B]^-1, (4)[M] = [A] [N] [B] ^-1 , (4)

mit der resultierenden Meßwertmatrix:with the resulting measured value matrix:

A. The ZU procedure

Bei dem ZU-Verfahren wird je eine Kalibriermessung mit einer bekannten Serienim pedanz Z, mit der wir im folgenden als bezogene Größe z=Z/Z_o weiter arbeiten, und einer völlig unbekannten Querimpedanz u=U/Z_o durchgeführt.With the ZU method, a calibration measurement is carried out with a known series impedance Z, with which we will continue to work as the related variable z = Z / Z _o below, and a completely unknown cross impedance u = U / Z _o .

Somit ergeben sich zwei Kettenmatrizen der FormThis results in two chain matrices of the form

undand

Eingesetzt in der Gleichung (4) erhält man zwei unabhängige Matrizengleichungen:When used in equation (4), two independent matrix equations are obtained:

[M_z] = [A] [N_z] [B]^-1 (8)[M _z ] = [A] [N _z ] [B] ^-1 (8)

[M_u] = [A] [N_u] [B]^-1 (9)[M _u ] = [A] [N _u ] [B] ^-1 (9)

Durch die Eliminierung der [B]-Matrix gelangt man zu einer Ähnlichkeitstransforma tion.Eliminating the [B] matrix leads to a similarity transformation tion.

[M_z] [M_u]^-1 = [A] [N_z] [N_u]^-1[A]^-1 (10)[M _z ] [M _u ] ^-1 = [A] [N _z ] [N _u ] ^-1 [A] ^-1 (10)

Unter der Ausnutzung der Eigenschaften einer Ähnlichkeitstransformation ([10].) erhält man folgende nützliche Spurgleichung:Taking advantage of the properties of a similarity transformation ([10].) you get the following useful track equation:

spur([M_z] [M_u]^-1) = spur([N_z] [N_u]^-1) (11)trace ([M _z ] [M _u ] ^-1 ) = trace ([N _z ] [N _u ] ^-1 ) (11)

und somit überand thus about

mitWith

β₁ = spur([M_z] [M_u]^-1) (13)β₁ = trace ([M _z ] [M _u ] ^-1 ) (13)

eine Gleichung zur Bestimmung der unbekannten Impedanz u:an equation for determining the unknown impedance u:

Die Messung einer unbekannten Impedanz m, die wie z in Serie geschaltet ist, ergibt über den gleichen Formalismus eine weitere Gleichung für u:The measurement of an unknown impedance m, which is connected in series like z, gives about the same formalism another equation for u:

wobeiin which

β₂ = spur([M_m] [M_u]^-1 (16)β₂ = trace ([M _m ] [M _u ] ^-1 (16)

ist. Durch Gleichsetzung der Gleichungen (14) und (15) erhält man eine sehr einfache Gleichung zur Berechnung des von Systemfehlern korrigierten Impedanzwerten m ohne die Verwendung der Fehlergrößen der A- und B-Fehlernetzwerke.is. By equating equations (14) and (15) one obtains a very simple one Equation for calculating the impedance value m corrected by system errors the use of the error sizes of the A and B error networks.

B. The YU process

Da die mathematische Herleitung des YU-Verfahrens der des ZU-Verfahrens entspricht genügt es, lediglich die unbekannte Impedanz u des ZU-Verfahrens durch die hier be kannte Impedanz q und die zuvor bekannte Impedanz z nunmehr durch die unbekannte Größe u zu ersetzen.Because the mathematical derivation of the YU method corresponds to that of the ZU method it suffices to be only the unknown impedance u of the ZU method by the here Known impedance q and the previously known impedance z now due to the unknown To replace size u.

Somit erhält man für die unbekannte Serienimpedanz folgende Bestimmungsgleichung:This gives the following equation for the unknown series impedance:

u = y · (2-β₃) (18)u = y · (2-β₃) (18)

mit der Meßwertgröße β₃ auswith the measured variable β₃

β₃ = spur([M_y] [M_u]^-1 (19)β₃ = trace ([M _y ] [M _u ] ^-1 (19)

In analoger Art und Weise erhält man für eine gegen Masse verbundende Impedanz m erneut eine Relation für die unbekannte Serienimpedanz.In an analogous manner one obtains for an impedance connected to ground m again a relation for the unknown series impedance.

u = m · (2-β₄) (20)u = m · (2-β₄) (20)

mit der Meßwertgröße β₄ auswith the measured value quantity β₄

β_u = spur([M_m] [M_u]^-1 (21)β _u = trace ([M _m ] [M _u ] ^-1 (21)

Durch Gleichsetzung der Gleichungen (18) und (20) erhält man wiederum eine sehr einfache Gleichung zur Berechnung des von Systemfehlern korrigierten Impedanzwer tes m ohne eine Verwendung der Fehlergrößen der A- und B-Fehlernetzwerke.Equating equations (18) and (20) in turn gives a very good result simple equation for calculating the impedance value corrected by system errors tes m without using the error sizes of the A and B error networks.

C. The TZU and TYU process

Wie gezeigt wurde, lassen sich die unbekannten Impedanzen beim ZU-Verfahren mit tels Gleichung (14) und beim YU-Verfahren mittels Gleichung (18) sehr einfach in einer Art Selbstkalibrierung bestimmen.As has been shown, the unknown impedances can be combined with the ZU method equation (14) and in the YU method using equation (18) very simply in a kind of self-calibration.

Folglich stehen für das TZU- und das TYU-Verfahren je zwei bekannte Zweitore zur Verfügung. Durch die leicht zu realisierende unmittelbare Verbindung der Meßtore verfügt man über eine weitere Messung eines vollständig bekannten Zweitores, der sogenannten Durchverbindung T (rough).Consequently, two well-known two gates are available for the TZU and TYU processes Available. Thanks to the easy connection of the measuring gates you have another measurement of a fully known two-port, the so-called through connection T (rough).

Es wurde schon vielfach gezeigt, daß man bei der Kenntnis von drei verschiedenen Zweitoren die A- und B-Fehlergrößen bestimmen kann. Nach deren Bestimmung gibt es wiederum eine Vielzahl von Möglichkeiten die Meßwerte eines Objektes von Systemfehlern zu befreien. It has been shown many times that knowledge of three different Two ports can determine the A and B error sizes. According to their destination there are, in turn, a multitude of possibilities for measuring the values of an object To get rid of system errors.

D. The TZU and TYU process

In gleicher Art und Weise wie bei dem ZUU- bzw. YUU-Verfahren muß auch hier die unbekannte Impedanz U beim ZU-Verfahren durch Gleichung (13) und beim YU- Verfahren durch Gleichung (17) mittels einer Selbstkalibrierung bestimmt werden.In the same way as with the ZUU or YUU method, here too the unknown impedance U in the ZU method by equation (13) and in the YU Method can be determined by equation (17) by means of a self-calibration.

Folglich stehen für das TZU- und das TYU-Verfahren je zwei bekannte Zweitore zur Verfügung. Durch die leicht zu realisierende unmittelbare Verbindung der Meßtore verfügt man über eine weitere Messung eines vollständig bekannten Zweitores, der sogenannten Durchverbindung T(rough).Consequently, two well-known two gates are available for the TZU and TYU processes Available. Thanks to the easy connection of the measuring gates you have another measurement of a fully known two-port, the so-called through connection T (rough).

Nunmehr stehen wiederum drei Kalibriermessungen mit drei unterschiedlichen und vollständig bekannten Kalibrierstandards zur Verfügung. Somit können wie bei dem ZUU- bzw. dem YUU-Verfahren die Fehlergrößen auf mehreren Wegen bestimmt werden.Now there are three calibration measurements with three different and fully known calibration standards are available. Thus, as with the ZUU or the YUU method determines the error sizes in several ways become.

Claims

1. A method for calibrating a network analyzer having two measuring gates by successively measuring four measuring parameters each at three different calibration standards connected between the two measuring gates in any order, characterized in that
a first calibration measurement is carried out on a two-port system which has only a single concentrated component (Z or Y), the impedance of which is known,
a second calibration measurement is carried out on a second two-port, which likewise has only a single concentrated component (U), the impedance of which is however unknown, and
a third calibration measurement is carried out on a two-port, from which all complex scattering parameters are known (TZU, TYU).

2. The method according to claim 1, characterized records that the third calibration measurement at the directly connected measuring gates is carried out (T measurement).

3. A method for calibrating a network analyzer having two measuring gates by successively measuring four measuring parameters each at three different calibration standards connected between the two measuring gates in any order, characterized in that
a first calibration measurement is carried out on a two-port system which has only a single concentrated component (Z or Y) whose impedance is known,
a second calibration measurement is carried out on a second two-port, which likewise has only a single concentrated component (U1), the impedance of which is unknown, however, and
a third calibration measurement is carried out on a two-port that has only a single concentrated component (U2), the impedance of which is unknown but is different from the impedance of the component (U1) of the two-port of the second calibration measurement (ZU ₁ U ₂ , YU ₁ U ₂ ).

4. A method for calibrating a network analyzer having two measuring gates, with which the impedance of a concentrated component connected in series or in parallel between the two measuring gates is measured, characterized in that
only four measured values can be measured only on two calibration standards connected between the measuring gates in any order, by carrying out a first calibration measurement on a two-port that has only a single concentrated component (Z or Y) whose impedance is known, and
a second calibration measurement is carried out on a second two-port, which likewise has only a single concentrated component (U), but whose impedance is unknown (ZU, YU).

5. The method according to any one of the preceding claims, characterized in that
for the first calibration measurement a two port with a known series impedance and
a second port with an unknown parallel impedance is used for the second calibration measurement.

6. The method according to any one of the preceding claims 1 to 4, characterized in that
for the first calibration measurement a two port with a known parallel impedance and
a two-port with an unknown series impedance is used for the second calibration measurement.

7. The method according to any one of the preceding claims, characterized in that for the Calibration measurement with a component unknown Impedance directly the two-port measurement to be measured object is used.

8. The method according to any one of the preceding claims, characterized in that the mechanical dimensions of the concentrated components are small compared to the operating wavelength.

9. The method according to any one of the preceding claims, characterized in that the concentrated components directly on the Strip lines of a microstrip line placed are.

10. The method according to any one of the preceding claims, characterized in that as concentrated components resistors, capacitors, With inductors, diodes or other components two terminals are used.